Que Savent Les Fourmis Que Nous Ne 't?

Avez-vous déjà remarqué comment les colonies de fourmis explorent et exploitent avec autant de succès les ressources du monde … pour trouver de la nourriture lors des pique-niques du 4 juillet, par exemple? Vous pouvez trouver cela ennuyeux. Mais en tant qu’écologiste qui étudie les fourmis et le comportement collectif, je pense que c’est intrigant especially surtout le fait que tout cela se fait sans aucun contrôle central.

Ce qui est particulièrement remarquable : les parallèles étroits entre les réseaux des colonies de fourmis et ceux créés par l’homme. Un exemple est « Anternet », où nous, un groupe de chercheurs de Stanford, avons découvert que l’algorithme utilisé par les fourmis du désert pour réguler la recherche de nourriture ressemblait au protocole de contrôle du trafic (TCP) utilisé pour réguler le trafic de données sur Internet. Les réseaux ant et humains utilisent tous deux une rétroaction positive: soit des accusés de réception qui déclenchent la transmission du paquet de données suivant, soit des butineuses de retour chargées de nourriture qui déclenchent la sortie d’une autre butineuse sortante.

Cette recherche a conduit certains à s’émerveiller de l’ingéniosité des fourmis, capables d’inventer des systèmes qui nous sont familiers: wow, les fourmis utilisent des algorithmes Internet depuis des millions d’années! (Wired a également flirté avec le concept d' »anternet » dans sa colonne Jargon Watch l’année dernière.)

Mais le comportement des insectes imitant les réseaux humains – un autre exemple sont les solutions ressemblant à des fourmis au problème du vendeur ambulant fourni par l’algorithme d’optimisation des colonies de fourmis – n’est en fait pas ce qui est le plus intéressant à propos des réseaux de fourmis. Ce qui est beaucoup plus intéressant, ce sont les parallèles dans l’autre sens: Qu’ont fait les fourmis auxquelles nous, les humains, n’avons pas encore pensé?

Ce que Les Réseaux de Colonies De Fourmis Peuvent Nous Dire Sur La Suite des Choses pour les Réseaux Conçus par L’Homme

Au cours des quelque 130 millions d’années que les fourmis ont vécu, l’évolution a réglé les algorithmes de colonies de fourmis pour faire face à la variabilité et aux contraintes définies par des environnements spécifiques.

Les colonies de fourmis utilisent des réseaux dynamiques d’interactions brèves pour s’adapter aux conditions changeantes. Aucune fourmi individuelle ne sait ce qui se passe. Chaque fourmi garde juste une trace de son expérience récente de rencontre avec d’autres fourmis, soit lors de rencontres individuelles lorsque les fourmis touchent des antennes, soit lorsqu’une fourmi rencontre un produit chimique déposé par une autre.

De tels réseaux ont rendu possible la diversité et l’abondance phénoménales de plus de 11 000 espèces de fourmis dans tous les habitats imaginables sur Terre. Anternet et d’autres réseaux de fourmis ont donc beaucoup à nous apprendre. Les protocoles Ant peuvent suggérer des moyens de construire nos propres réseaux d’information…

Face à des coûts d’exploitation élevés

Les colonies de fourmis moissonneuses dans le désert doivent dépenser de l’eau pour obtenir de l’eau. Les fourmis perdent de l’eau en butinant sous le soleil brûlant et obtiennent leur eau en la métabolisant à partir des graines qu’elles collectent. Puisque les colonies stockent les graines, leur système de rétroaction positive ne gaspille pas l’effort de recherche de nourriture lorsque les coûts en eau sont élevés even même si cela signifie qu’elles laissent des graines « sur la table » (ou plutôt au sol) pour être obtenues un autre jour plus humide.

De cette manière, l’Anternet permet à la colonie de faire face à des coûts d’exploitation élevés. Sur Internet, le protocole TCP empêche également le système d’envoyer des données sur Internet lorsqu’il n’y a pas de bande passante disponible. L’effort serait gaspillé si le message est perdu, il ne vaut donc pas la peine de l’envoyer à moins qu’il ne soit certain d’atteindre sa destination.

Plus récemment, j’ai montré comment la sélection naturelle optimise actuellement l’algorithme Anternet. Je suis une population de 300 colonies de fourmis moissonneuses depuis plus de 25 ans, et en utilisant les empreintes génétiques, nous avons déterminé quelles colonies avaient le plus de colonies de descendants.

Les colonies stockent de la nourriture à l’intérieur du nid comme tactique de survie. Les jours particulièrement chauds, les colonies susceptibles de pondre au lieu de collecter plus de nourriture sont celles qui ont plus de colonies de descendants au cours de leur vie de 25 ans. __Retrainer__ apparaît donc comme la meilleure stratégie au niveau de la colonie. Les colonies à longue durée de vie dans le désert régulent leur comportement non pas pour maximiser ou optimiser l’apport alimentaire, mais plutôt pour continuer sans gaspiller de ressources.

Face à la rareté, l’algorithme qui régule le flux de fourmis évolue vers une minimisation des coûts d’exploitation plutôt qu’une accumulation immédiate. Il s’agit d’une stratégie durable pour tout système, comme une colonie de fourmis du désert ou l’Internet mobile, où il est essentiel d’obtenir une fiabilité à long terme tout en évitant le gaspillage d’efforts.

Passage de petits à grands systèmes

Que se passe-t-il lorsqu’un système évolue ? Comme les systèmes conçus par l’homme, les systèmes ant doivent être robustes pour s’étendre à mesure que la colonie grandit, et ils doivent être capables de tolérer la défaillance de composants individuels.

Étant donné que les grands systèmes permettent un certain désordre, les solutions idéales utilisent les contributions de chaque fourmi supplémentaire de telle sorte que le bénéfice d’un travailleur supplémentaire l’emporte sur le coût de production et d’alimentation d’une fourmi supplémentaire.

Les outils qui servent bien les grandes colonies sont donc la redondance et un minimum d’informations. D’énormes colonies de fourmis fonctionnent en utilisant des interactions très simples entre des fourmis sans nom sans aucune adresse.

Dans les systèmes d’ingénierie, nous cherchons nous aussi des moyens d’assurer des résultats fiables, à mesure que nos réseaux évoluent, en utilisant des opérations bon marché qui utilisent le caractère aléatoire. Les conceptions de haut en bas élégantes sont attrayantes, mais la robustesse des algorithmes ant montre que tolérer l’imperfection conduit parfois à de meilleures solutions.

Optimisation pour l’avantage du premier moteur

La diversité des algorithmes ant montre comment l’évolution a répondu à différentes contraintes environnementales. Lorsque les coûts d’exploitation sont faibles et que les colonies recherchent une friandise éphémère – comme le nectar de fleurs ou la couenne de pastèque – la vitesse de recherche est essentielle si la colonie veut capturer le prix avant qu’il ne sèche ou ne soit emporté.

Étant donné que les colonies de fourmis se font concurrence et que beaucoup cherchent la même nourriture, la première colonie à arriver pourrait avoir les meilleures chances de conserver la nourriture et d’éloigner les autres fourmis.

Comment une colonie obtient-elle cet avantage de primo-primeur sans aucun contrôle central ? Le défi dans cette situation est que la colonie gère le flux de fourmis pour qu’elle ait une fourmi presque partout presque tout le temps. Le but est d’augmenter la probabilité qu’une fourmi soit suffisamment proche pour rencontrer tout ce qui arrive pour apparaître.

Une stratégie utilisée par les fourmis (familière de nos propres réseaux de données) consiste à mettre en place un circuit d’autoroutes permanentes – comme un réseau de tours de téléphonie cellulaire – à partir desquelles les fourmis recherchent localement. Les fourmis argentines envahissantes sont des experts en la matière; elles trouveront n’importe quelle miette qui atterrira sur votre comptoir de cuisine.

Les fourmis argentines ajustent également leurs chemins, passant d’une marche presque aléatoire lorsqu’il y a beaucoup de fourmis autour, conduisant chaque fourmi à fouiller minutieusement dans une petite zone, à un chemin plus droit lorsqu’il y a peu de fourmis autour, permettant ainsi à l’ensemble du groupe de couvrir plus de terrain.

Comme un réseau de demande-réponse distribué, les réponses agrégées de chaque fourmi aux conditions locales génèrent le résultat pour l’ensemble du système, sans direction ni contrôle centralisés.

Faire face aux failles de sécurité et aux catastrophes

Sous les tropiques, où des centaines d’espèces de fourmis sont regroupées et se disputent les ressources, les colonies doivent faire face aux problèmes de sécurité. Cela a conduit à l’évolution des protocoles de sécurité qui utilisent les informations locales pour la détection des intrusions et pour la réponse.

Une colonie peut utiliser (« emprunter » ou « voler », comme dirait l’homme) des informations d’une autre colonie, telles que les traces chimiques ou la densité des fourmis, pour trouver et utiliser des ressources.

Plutôt que d’essayer d’empêcher complètement les incursions, cependant, les fourmis créent des systèmes d’identité stochastiques lâches dans lesquels une espèce régule son comportement en réponse au niveau d’incursion d’une autre.

Il existe des parallèles évidents avec la sécurité informatique. Cela devient clair (considérez les événements récents!) que nous devrons nous aussi mettre en œuvre une évaluation locale et une réparation des intrusions, en tolérant un certain niveau d’imperfection. Les fourmis ont trouvé des moyens de laisser leurs systèmes répondre aux incursions des uns et des autres, sans tenter de mettre en place une autorité centrale qui réglemente les piratages.

Certains de nos réseaux semblent s’orienter vers l’utilisation de méthodes déployées par les fourmis.

Prenez les protocoles de reprise après sinistre des fourmis qui se nourrissent dans les arbres où les branches peuvent se casser, de sorte que la menace de rupture est élevée. Un réseau en anneau, avec des signaux ou des fourmis circulant dans les deux sens, permet une récupération rapide ici; après une rupture du flux dans un sens, le flux dans l’autre sens peut rétablir une liaison.

De même, les premiers réseaux de câbles à fibre optique étaient souvent perturbés par des machines agricoles et d’autres travaux de creusement: une rupture pouvait faire tomber le système car elle isolait chaque charge. Les ingénieurs ont rapidement découvert, comme l’ont déjà fait les fourmis, que les réseaux en anneau créeraient des réseaux plus faciles à réparer.

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Nos réseaux continueront de changer et d’évoluer. En examinant et en comparant les algorithmes utilisés par les fourmis dans le désert, dans la forêt tropicale et les espèces envahissantes qui visitent nos cuisines, il est déjà évident que les fourmis ont trouvé de nouvelles solutions qui peuvent nous apprendre quelque chose sur la façon dont nous devrions concevoir nos systèmes.

En utilisant des interactions simples comme le toucher bref des antennes – un peu comme nos mises à jour de statut éphémères dans les réseaux sociaux éphémères – les colonies font des réseaux qui répondent à un monde qui change constamment, avec des ressources qui apparaissent dans des patchs puis disparaissent. Ces réseaux sont faciles à réparer et peuvent se développer ou se rétrécir.

Les colonies de fourmis ont été utilisées à travers l’histoire comme modèles d’industrie, d’obéissance et de sagesse. Bien que les fourmis elles-mêmes puissent être indolentes, négligentes des autres et carrément stupides, nous avons beaucoup à apprendre des protocoles de colonies de fourmis. Les fourmis ont développé des façons de travailler ensemble dont nous n’avons pas encore rêvé.

Rédacteur en chef de Wired Opinion: Sonal Chokshi @smc90